某電視導(dǎo)引頭隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

王本國(guó)，趙斌陶，艾秀峰

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

在導(dǎo)彈的起落和飛行過(guò)程中，會(huì)受到環(huán)境噪聲、沖擊振動(dòng)等動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷的影響，它們會(huì)通過(guò)導(dǎo)彈外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳遞到電視導(dǎo)引頭上，進(jìn)而影響電視導(dǎo)引頭的成像質(zhì)量和可靠性，而沖擊振動(dòng)對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響是最為致命的。文章采用有限元理論，對(duì)某電視成像導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)建模仿真，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變分布的計(jì)算，評(píng)估導(dǎo)引頭的環(huán)境適應(yīng)能力。

1 理論基礎(chǔ)及分析方法

1.1 模態(tài)分析方法

模態(tài)分析是一切動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、響應(yīng)譜分析等都是在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，模態(tài)分析可以求得結(jié)構(gòu)體各階固有頻率及其振型。導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)體是由無(wú)限多自由度的彈性體組成的，運(yùn)用有限元分析方法中的彈性力學(xué)理論，將導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)分為多個(gè)有限自由度的線性系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)微分方程可對(duì)此線性系統(tǒng)在外介載荷作用下求得固有頻率及其各階振型，進(jìn)一步求得隨機(jī)振動(dòng)頻譜響應(yīng)。

2 導(dǎo)引頭有限元模型

2.1 有限元模型描述

模態(tài)分析前，將導(dǎo)引頭光學(xué)組件和電子艙組件簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，對(duì)外殼、內(nèi)外框架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、角接觸軸承、電子碼盤等主要結(jié)構(gòu)件和元器件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 主要材料屬性

組成導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)的材料比較多，結(jié)構(gòu)件采用材料有合結(jié)鋼（45 鋼）、硬鋁（AL12）、黃銅（H62），光學(xué)件采用材料有硫化鋅硅（Si）、（ZnS）、電路板（PCB）及硅橡膠，具體屬性值見(jiàn)表1。

2.3 載荷及邊界條件

該電視導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)在起落和空中飛行時(shí)，主要受到三個(gè)方向上的載荷沖擊，分別為X 向（軸線方向）、Y 向（法線方向，即垂直與軸線）和Z 向（橫向），在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)，因此橫滾向載荷干擾可以忽略，我們只對(duì)X 向、Y 向和Z 向進(jìn)行分析。

表1 主要材料屬性

導(dǎo)引頭飛行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)本體與彈體安裝面?zhèn)鬟f至導(dǎo)引頭上，所以在本體與彈體安裝面上施加隨機(jī)振動(dòng)載荷，載荷曲線如圖1 所示，方向加載在為X、Y、Z 三個(gè)方向。沖擊類型為沖擊響應(yīng)譜沖擊，條件如圖2 和圖3 所示。

圖1 隨機(jī)振動(dòng)功率譜

圖2 X 向沖擊條件

圖3 Y 向和Z 向沖擊條件

3 仿真結(jié)果

導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中是一個(gè)自由體，而導(dǎo)引頭只是彈體的一個(gè)艙段，實(shí)際飛行過(guò)程中，導(dǎo)引頭后端被限制處于約束狀態(tài)，所以在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)該在導(dǎo)引頭本體與彈體接觸后端面上實(shí)加約束。我們假設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值力矩滿足條件，伺服控制系統(tǒng)保持零位。使用ANSYS Workbench 有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析。隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果在X、Y、Z 三向同時(shí)加載，導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)圖

圖5 導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)圖

圖6 小軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)圖

對(duì)導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析時(shí)，主要關(guān)心的是整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布。其中，最大應(yīng)力發(fā)生在本體中間的支柱根本，為139.09MPa（3σ），應(yīng)力值遠(yuǎn)小于本體零件材料2A12 T4 的屈服極限255MPa，零件不會(huì)發(fā)生斷裂和塑性變形，也可以經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間隨機(jī)振動(dòng)具有較好的抵抗疲勞能力。在X、Y、Z 三向同時(shí)加載，導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)如圖5 所示。

其中，最大應(yīng)力發(fā)生在連接框架的小軸上，應(yīng)力值均小于了軸材料1Cr17Ni2 的屈服極限1080MPa，設(shè)計(jì)在屬于局部應(yīng)力集中處加了較大倒圓角，因此這些局部的應(yīng)力會(huì)大幅下降。

將軸的應(yīng)力云圖放大后，如圖6 所示，可見(jiàn)，除去極小的尖角處以外，軸的應(yīng)力全部在屈服極限930MPa 以內(nèi)，小軸可以同時(shí)承受三個(gè)方向大量級(jí)的沖擊。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)導(dǎo)引頭實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，利用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析和沖擊響應(yīng)譜分析，得出如下結(jié)論：從各零部件產(chǎn)生的應(yīng)力分布來(lái)看，零件不會(huì)發(fā)生斷裂和塑性變形，也可以經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間隨機(jī)振動(dòng)，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。